自制教具探究气体浮力与气体密度的关系



自制教具探究气体浮力与气体密度的关系

杨 桦王宏赵洪英

(清华大学附属中学北京100084)

阿基米德原理既适用于液体，也适用于气体．但学生对于理解阿基米德原理适用于气体缺乏感性的认识．这是因为气体对物体的浮力作用较小、不易被测量和空气密度不容易改变等因素导致的．为了突破这个难点，我们设计了一套装置，学生通过操作和分析实验现象可以探究浸在气体中的物体所受浮力与气体密度的关系，加深对阿基米德原理的理解．

1 实验器材

圆柱形容器、海棉、乒乓球、螺母、铅丝、滑轮、细绳(尼龙绳)、磁铁、气泵(抽气和充气)

2操作方法

(1)用有机玻璃制成圆柱形容器，容器高约为1 m，直径约为15 cm．容器底部有出气口(也是进气口)，出气口通过橡胶软管与气泵相连．容器顶部有盖子，可以将容器密封．

(2)将海绵置于有机玻璃制成的容器底部，将乒乓球通过细绳与螺母和铅丝组成的配重相连，将细绳挂在定滑轮上，调节配重的质量，使乒乓球与配重平衡．

图1

(3)将乒乓球、配重和定滑轮放在容器中，将容器顶端的盖子旋紧，如图1所示．

(4)用抽气泵抽气，观察到乒乓球向下运动．

(5)用磁铁在容器外沿器壁吸引配重，使配重向下运动，调节乒乓球到适当的位置．用充气泵向容器充气，观察到乒乓球向上运动．

3原理分析

当向容器内抽气和充气时，容器内的气体密度改变，乒乓球受到的浮力随之发生变化，由于滑轮与轴之间的摩擦很小，因而乒乓球不能保持平衡，发生运动．根据乒乓球运动的方向，可以推断出浮力变化的情况，进而得出乒乓球受到的浮力与气体密度的关系．

4注意事项

(1)当容器内气体密度变化时，配重受到的浮力也会改变．为了减小配重的影响，配重由密度较大的螺母和铅丝组成，其体积远小于乒乓球的体积，因此配重受到的浮力变化对改变系统的平衡状态影响不大．

(2)在调解配重与乒乓球平衡时，可先用螺母粗调，再用铅丝细调．

(3)将海棉置于容器的底部，即进气口的上方，避免由于气体的快速流动使乒乓球发生运动．

(4)在抽气和充气时，将容器的盖子旋紧以保证容器有很好的密封性．

图2

(5)降低滑轮与轴之间的摩擦，比如换用更光滑的轴或加润滑油等，使实验的灵敏度更高，如图2所示．

(6)若抽气泵和充气泵的流量太小，则等待观察实验结果的时间较长．本实验采用的充气泵流量为25 L/min，几十秒即可观察到实验现象．为了增强互动性，也可以让学生用日常用的打气筒打气，学生在打气的过程中感觉到越来越费力，说明容器内的气压增大，气体密度增加．在此基础上，学生观察到实验现象，使实验现象更有说服力．

(7)容器密封后，为了方便改变乒乓球的位置，可使用磁铁在容器外沿器壁吸引配重，使乒乓球能够停在任意位置．

5总结

大气的密度很难被控制，本实验利用有机玻璃制成了密闭容器，通过对容器抽气和充气改变容器内气体的密度．浸在气体中的物体所受气体的浮力通常远小于物体自身的重力，因此不容易被测量．本实验利用配重来抵消物体自身重力的影响，当物体所受浮力发生微小的变化时，物体的平衡状态就会被打破，发生运动．根据物体的运动情况我们可以判断浮力的变化．该实验运用了科学研究方法中的转换法，因此设计实验的过程是培养学生运用科学方法解决问题的良好契机．同时该实验操作简单，效果明显，能够激发学生的学习兴趣，加深对阿基米德原理的理解．

收稿日期：(2015-04-07)